미네랄(mineral)이란?
사람의 몸은 기본적으로 탄소, 수소, 질소, 산소, 황, 인 등의 원소로 이루어져 있다. 이들이 화학적으로 결합하여 복잡한 구조의 인체를 구성한다. 이들은 대부분 유기물질 들이다. 그러나 그들 외에도 많은 다른 원소들도 없어서 안 된다. 이들 중에서 나트륨, 칼륨들 등과 같이 비교적 많은 양(bulk element)이 필요한 것이 있는 반면에, 철, 구리 등과 같이 극히 미량만 있어도 충분한 미량 원소(trace element)들이 있다. 미네랄(mineral)이란 광물질이란 뜻이다. 영양학적으로는 미네랄이란 애매한 정의이지만 무기물로서 인체에 필요한 성분을 망라하여 말하며, 여기에는 금속 비금속 화합물 모두가 포함된다. 성인의 경우 체중의 4~5%가 무기질이라 알려지고 있다.
그런데 이들 미량 원소들은 비타민처럼 필수성분이기는 하지만 심각한 결핍증은 잘 관찰되지 않는다. 필요량이 극히 미량이고, 자연계에서 식품이나 음료수 등에 흔하게 들어있기 때문이다. 이들은 토양에서 광물질로부터 녹아 나오고 식물에 흡수되어 먹이사슬을 통해 인체에 공급된다. 그러나 드물게 예외적인 환경이나 개체에서 미네랄 결핍증이 관찰되기도 한다. 앞으로 생명현상에 대해 더 많은 것들이 알려지고, 실험방법이 개선되어 미네랄의 역할이 더 잘 알려지게 되면 필수 원소들의 수는 μg이면 충분한 경우가 많다. 사람들은 영양불균형으로 이들 미네랄이 결핍될 만일의 경우를 대비해 식품보강제(dietary supplement)로 비타민과 함께 이들 성분을 보충하고 있다.
이들 미네랄 중에서 사람에게 가장 중요한 것은 칼슘이라 하겠다. 보통 성인 한 사람의 몸 속에는 1~3kg의 칼슘을 가지고 있고, 그 중 99%가 뼈나 치아의 골격을 형성하고 있다. 뼈 이외의 체조직에서 칼슘은 세포 외 액에 많이 존재하고 세포 내 액에서는 0.1μM의 극히 낮은 농도를 유지한다. 그러나 호르몬, 전기적 또는 기계적 자극에 의하여 세포 내 액의 농도가 1μM까지 증가할 수 있으며, 여기서 단백질들과의 상호작용으로 여러 가지 기능을 활성화 시킨다. 이들 작용은 신경절 흥분, 신경전달물질 방출, 근육수축, 세포막 골격유지, 혈액응고 등의 많은 핵심적인 역할을 한다. 칼슘은 우유나 치즈와 같은 식품 중에 특히 많으며, 곡류, 견과류, 콩과 같은 식품에도 풍부하다. 칼슘은 필요량이 많으며, 특히 자라는 어린애나 임산부에서 그러하다. 그런데 칼슘은 섭취하는 양도 중요하지만, 위장에서의 흡수율도 중요하다. 칼슘의 흡수율은 pH, 인산염과의 비율, 지방산의 존재 등의 영향을 받고, 특히 비타민 D가 중요하다. 우유나 육류 중의 칼슘은 비교적 흡수가 잘되지만, 곡류나 채소에 들어있는 것은 잘 흡수되지 않는다. 이것은 식물에서 칼슘은 phytic acid나 oxalic acid와 강하게 결합하여 물에 녹지 않는 phytin이나 oxalate를 형성하기 때문이다. 칼슘의 섭취 권장량은 하루 800mg정도이며, 임산부나 성장기 아이들에게는 이보다 높다. 인체에서 뼈는 매우 큰 칼슘의 저장소이다. 그런데 뼈는 이미 형성된 후에도 고정된 상태가 아니고, 혈 중 칼슘과 계속 교체(turn over)되고 있는 동적인 평행상태에 있다. 그래서 뼈에서 하루 700mg정도의 칼슘이 빠져나가고 또 들어온다고 한다. 칼슘의 섭취가 부족하거나 흡수가 잘 되지 않으면 혈 중의 칼슘의 농도가 낮아지며, 이때에 부갑상선 호르몬이 분비되어 뼈, 신장, 장에서부터 칼슘을 빼어내어 혈액으로 보내 혈 중 농도를 일정하게 유지하도록 한다. 이런 상태가 계속되면 칼슘을 빼앗긴 뼈의 밀도가 낮아지고 따라서 강도가 약해질 수 밖에 없는 것이다. 반대로 혈 중의 칼슘의 농도가 너무 높으면 갑상선 세포로부터 calcitonin이 분비되어 뼈의 파골 활성을 억제하고 칼슘이 뼈 속으로 흡수되는 것을 촉진하여 칼슘의 항상성을 유지시켜 주게 되는 것이다.
한편 칼슘과 성질이 가장 가까운 원소는 마그네슘이다. 이 원소는 인체에 약 25g 정도 밖에 들어있지 않다. 하지만 마그네슘은 뼈의 구조에도 필요할 뿐만 아니라 세포 내 효소반응에서 중요한 역할을 한다. 특히 포도당 분해반응과 ATP가 에너지를 내는 반응에서 그러하다. 세포 외 액의 마그네슘 농도가 너무 높으면 신경계의 활성이 감소하고, 골격 근육의 수축도 억제된다. 반대로 마그네슘 농도가 너무 낮으면 신경계의 흥분성이 증가되고, 말초혈관이 확장되며, 심부전을 일으킬 수 있다. 이 원소의 섭취 권장량은 하루 350mg정도이다. 하지만 마그네슘은 녹색식물의 엽록소의 구성성분이기 때문에 식품에 풍부하게 분포되어 있어 결핍증은 잘 관찰되지는 않는다.
사실은 인체에 가장 중요한 미네랄은 나트륨과 칼륨이다. 생명현상에서 이들의 역할은 절대적인 것으로 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않는다. 정상적인 상태에서 나트륨은 세포 외 액에 142mEq., 내 액에 10 mEq.의 농도의 큰 차이를 유지하고 반대로 칼륨은 외 액에 4 mEq., 내에 140 mEq.로 그 반대이다. 그런데 생체의 활동이란 이들 농도의 차를 없애는 쪽으로 진행된다. 그러나 생명 유지를 위해 이런 농도의 차이는 반드시 유지되어야 하는데 이런 역할을 하는 것이 소듐펌프(sodium pump)이다. 이 펌프는 세포 내 액으로 들어오는 나트륨을 밖으로 퍼내고, 밖으로 나간 칼륨을 안으로 끌어드려 농도의 차이를 일정하게 유지시켜 주는 역할을 한다. 사람이 섭취하는 열량에서 가장 큰 부분이 소듐펌프의 작동에 소비된다고 한다.
나트륨과 칼륨은 수분과 전해질의 양을 조절하여 일정한 삼투압을 갖도록 하고 혈압을 유지시켜준다. 때문에 고혈압의 예방과 치료에서 매우 중요하다. 그 외에도 이들 원소는 산 염기 평형, 세포 형태의 유지, 세포막을 통한 물질의 이동, 세포막 전위와 신경전달에도 중요한 역할을 한다. 이들은 결핍보다 불균형(imbalance)이 문제가 된다. 나트륨은 주로 소금으로 섭취하는데, 영양학적 필요량은 하루 1g에 불과한데 너무 많은 나트륨을 섭취하는 것이 문제가 되고 있다. 장기간 지나친 소금을 섭취하면 세포 외액의 부피의 증가로 고혈압을 유발하게 된다. 고혈압 환자에서 소금의 섭취를 하루 5g이하로 제한할 경우 평균 수축기 혈압은 12mmHg, 확장기 혈압은 6mmHg 정도 낮아진다고 보고되고 있다. 한편 당뇨나 설사, 또는 이뇨제를 장기간 사용할 경우에, 몸으로부터 칼륨이 너무 많이 빠져나가 칼륨 결핍상태를 일으킬 수 있다고 하고 있다. 이런 경우 과일 등을 많이 먹어 보충하는 것이 필요하다하고 있다.
